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Physik in unserer Zeit

Die seltsame Theorie des Lichts

Franz Bader

Published Jan 1, 1998• 2 citations
Publisher

Abstract

Abstract Reflexion, Licht und Schatten, Beugung und Interferenz – diese Phänomene der Optik lassen sich im klassischen Wellenbild des Lichts beschreiben. Richard Feynman gelang jedoch im Rahmen seiner Quantenelektrodynamik eine gänzlich neue Darstellung, die sich gleichzeitig auch auf Teilchen anwenden läßt. Auf dem PC lassen sich mit Hilfe der von ihm eingeführten ‚Zeiger’︁ optische Experimente nachvollziehen.

DOI
10.1002/piuz.19980290304

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Optik

Die Optik ist die Lehre vom Licht, seiner Ausbreitung, dem Aufbau optischer Instrumente und allen den Erscheinungen, die mit dem Auge wahrgenommen werden können. Heute wird zwischen der klassischen Optik und der Quantenoptik unterschieden. In der klassischen Optik wird das Licht als Welle verstanden. Seit Beginn dieses Jahrhunderts sind allerdings viele Experimente durchgeführt worden, deren Deutung nicht im Rahmen der Wellentheorie möglich ist. Zur Erklärung muß angenommen werden, daß das Licht sich wie ein Teilchen, als Korpuskel, dem sogenannten Lichtquant, verhält. Dieses Bild ist immer dann anzuwenden, wenn Licht mit Materie in Wechselwirkung tritt, also zum Beispiel bei der Absorption und Emission, aber auch bei der Streuung von Licht.

Vieweg+Teubner eBooks•Jan 1, 2007•0 citations

Schatten

David Deutsch

Michael Faraday erklärte seinen Zuhörern die Welt am Beispiel einer brennenden Kerze. Wir wollen statt dessen eine Taschenlampe betrachten. Das ist recht passend, denn die Technik der Taschenlampe beruht zu einem großen Teil auf Faradays Entdeckungen. So ausgerüstet, wollen wir nun einige der Experimente, die der Quantenphysik zugrunde liegen, beschreiben. Versuche mit Licht und Schatten stellen seit Jahren in vielen Variationen und Verbesserungen sozusagen den Lebensinhalt der Quantenoptik dar, die Ergebnisse aber sind, obwohl unumstritten, zum Teil selbst heute noch fast unglaublich. Die grundlegenden Experimente sind erstaunlich einfach. Sie erfordern keine besonders raffinierte instrumenteile Ausrüstung und setzen kein großes mathematisches oder physikalisches Wissen voraus — im wesentlichen geht es um nichts anderes als um Schattenbilder, aus denen sich bei aufmerksamer Betrachtung außerordentliche Schlüsse ziehen lassen. Eine gewöhnliche Taschenlampe schon kann sehr seltsame Muster von Licht und Schatten erzeugen, deren Erklärung nicht nur neue Naturgesetze erfordert, sondern eine neue Schicht der Beschreibung und Erklärung, die jenseits dessen liegt, was man früher einmal zur Naturwissenschaft zählte. Zunächst einmal offenbart sie jedoch die Existenz paralleler Welten.

Birkhäuser Basel eBooks•Jan 1, 1996•1 citation

Semiotische Aspekte der Quantenphysik

Eugen Januschke

Mit Hilfe der Semiotik wird untersucht, wie es der Quantenphysik gelingt, Formeln plausibel zumachen, deren zugrunde liegender physikalischer Sachverhalt nicht einem Alltagsverständnis bzw. einem Verständnis im Sinne der klassischen Physik zugänglich ist. Dabei geht es um eine allgemein anerkannte Art des Verständlichmachens bestimmter physikalischer Formeln jenseits der individuellen Ausprägung von Fähigkeiten des Erklärens und Verstehens, sozialer Phänomene und geschichtlicher Entwicklungen, indem man diesen Formeln jeweils ein bestimmtes Experiment zur Seite stellt. Das Experiment ist dabei so gewählt, dass das physikalische Phänomen, das in der Formel beschrieben wird, im Experiment untersucht wird, so dass sich die Formel dann als Auswertung des Experimentes ergibt. Um den schillernden Begriff des Verständnisses auf das für die Untersuchung Notwendige zu beschränken, wird der Begriff Plausibilisierung eingeführt. In einer hermeneutischen Herangehensweise wird ein geeignetes semiotisches Modell dieser wesentlichen argumentativen Figur der Physik anhand von drei Beispielen physikalischer Phänomene entwickelt: die geradlinige Bewegung eines Körpers mit konstanter Geschwindigkeit für die klassische Physik, das Spektrum des energetisch angeregten Wasserstoffs für die ältere Quantenphysik und die Streuung von Elektronen am Doppelspalt für die moderne Quantenphysik. Für jedes der drei Beispiele lassen sich die betreffende Formel und das zugehörige Experiment jeweils als Zeichen auffassen. Lässt sich die Situation der klassischen Physik gut mit dreistelligen Zeichen erfassen, erweist sich der zweistellige Zeichenbegriff für die Situation der Quantenphysik als adäquater. Die Plausibilisierung als Gefüge dieser beiden Zeichen zwingt nicht zu der Annahme, dass einer Formel als Kompositionen von Elementen der Ausdrucksseite eines gewöhnlichen Textes ein Element auf der Inhaltsseite entspricht. Vielmehr dient die zu plausibilisierende Formel dazu, Elemente der Wirklichkeit auf der Ausdrucks- und Inhaltsseite aufeinander zu beziehen. Die Wirkungsweise des Zeichens in der Plausibilisierung der Quantenphysik ist damit nicht negiert, sondern adäquater als beim gewöhnlichen Text in der Physik. Die Plausibilisierung erlaubt, die semantische Interpretation von Formeln zu relativieren, ohne auf ein Verständnis ihrer zeichenbezogenen Funktionsweise verzichten zu müssen.

•Sep 6, 2010•1 citation

Einteilchenquantenmechanik

Udo Scherz

ZusammenfassungDie Wellennatur der elektromagnetischen Strahlung ist durch Interferenz- und Beugungsexperimente gut bekannt. Auch außerhalb des optischen Bereiches wurde z.B. die Beugung von Röntgenstrahlen durch Max von Laue mit Hilfe von Kristallen nachgewiesen. Andererseits lassen sich einige Beobachtungen nur mit einer Teilchennatur der elektromagnetischen Strahlung erklären. Dazu gehören neben der Frequenzabhängigkeit der Temperaturstrahlung nach dem Planckschen Strahlungsgesetz vor allem der lichtelektrische Effekt. Dabei zeigt sich, daß die Energie der aus einem Metall austretenden Elektronen nur von der Frequenz und nicht von der Intensität des Lichtstrahles abhängt. Auch die beim Compton-Effekt beobachtete inelastische Streuung von Röntgenstrahlen durch gebundene Elektronen eines Festkörpers kann nicht mit der Wellennatur der elektromagnetischen Strahlung erklärt werden, weil dabei ein Licht quant Energie und Impuls auf das Elektron überträgt. Man spricht deshalb von einem Welle-Teilchen-Dualismus der elektromagnetischen Strahlung.

Teubner-Studienbücher. Physik•Jan 1, 1999•0 citations

Interferenz des Lichtes

Helmut Lindner

ZusammenfassungIn der geometrischen Optik werden die Welleneigenschaften des Lichtes fast völlig außer acht gelassen. Die Deutung einer Gruppe von optischen Erscheinungen ist jedoch nur mit der Wellentheorie möglich. Es handelt sich um die Interferenz des Lichtes, die je nach der Art des Zusammentreffens zweier Wellenzüge zu deren gegenseitiger Verstärkung oder Auslöschung führt (S. 187). Das Zustandekommen derartiger Versuche ist jedoch an gewisse Voraussetzungen geknüpft. Es müssen sich nämlich zwei Wellenzüge von gleicher Frequenz so überlagern, daß ihre Schwingungsphasen stets die gleiche Differenz gegeneinander haben. Dies ist z. B. bei dem auf Bild 14.11 dargestellten Versuch erfüllt, weil jede der beiden Wellen ein einziges, in sich zusammenhängendes System bildet. Man nennt es in diesem Fall kohärent.

Vieweg+Teubner eBooks•Jan 1, 1991•0 citations

Die Vermessung optischer Quantenzustände

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Abstract Wellenfunktion, Dichtematrix, Meßwertverteilungen, reine und gemischte Zustände: Diese abstrakten Konzepte aus der Quantenmechanik lassen sich durch moderne quantenoptische Experimente veranschaulichen. So gelang es kürzlich mit geeigneten Meßverfahren, die Zustände von einfachen Quantensystemen im Detail zu charakterisieren. Wir wollen dies am Beispiel des Lichtfeldes erläutern. Die dabei eingesetzten Techniken spielen eine wichtige Rolle bei der „Quantenkontrolle”︁.

Physikalische Blätter•May 1, 1999•1 citation
Abstract Reflexion, Licht und Schatten, Beugung und Interferenz – diese Phänomene der Optik lassen sich im klassischen Wellenbild des Lichts beschreiben. Richard Feynman gelang jedoch im Rahmen seiner Quantenelektrodynamik eine gänzlich neue Darstellung, die sich gleichzeitig auch auf Teilchen anwenden läßt. Auf dem PC lassen sich mit Hilfe der von ihm eingeführten ‚Zeiger’︁ optische Experimente nachvollziehen.
Die Optik ist die Lehre vom Licht, seiner Ausbreitung, dem Aufbau optischer Instrumente und allen den Erscheinungen, die mit dem Auge wahrgenommen werden können. Heute wird zwischen der klassischen Optik und der Quantenoptik unterschieden. In der klassischen Optik wird das Licht als Welle verstanden. Seit Beginn dieses Jahrhunderts sind allerdings viele Experimente durchgeführt worden, deren Deutung nicht im Rahmen der Wellentheorie möglich ist. Zur Erklärung muß angenommen werden, daß das Licht sich wie ein Teilchen, als Korpuskel, dem sogenannten Lichtquant, verhält. Dieses Bild ist immer dann anzuwenden, wenn Licht mit Materie in Wechselwirkung tritt, also zum Beispiel bei der Absorption und Emission, aber auch bei der Streuung von Licht.
Michael Faraday erklärte seinen Zuhörern die Welt am Beispiel einer brennenden Kerze. Wir wollen statt dessen eine Taschenlampe betrachten. Das ist recht passend, denn die Technik der Taschenlampe beruht zu einem großen Teil auf Faradays Entdeckungen. So ausgerüstet, wollen wir nun einige der Experimente, die der Quantenphysik zugrunde liegen, beschreiben. Versuche mit Licht und Schatten stellen seit Jahren in vielen Variationen und Verbesserungen sozusagen den Lebensinhalt der Quantenoptik dar, die Ergebnisse aber sind, obwohl unumstritten, zum Teil selbst heute noch fast unglaublich. Die grundlegenden Experimente sind erstaunlich einfach. Sie erfordern keine besonders raffinierte instrumenteile Ausrüstung und setzen kein großes mathematisches oder physikalisches Wissen voraus — im wesentlichen geht es um nichts anderes als um Schattenbilder, aus denen sich bei aufmerksamer Betrachtung außerordentliche Schlüsse ziehen lassen. Eine gewöhnliche Taschenlampe schon kann sehr seltsame Muster von Licht und Schatten erzeugen, deren Erklärung nicht nur neue Naturgesetze erfordert, sondern eine neue Schicht der Beschreibung und Erklärung, die jenseits dessen liegt, was man früher einmal zur Naturwissenschaft zählte. Zunächst einmal offenbart sie jedoch die Existenz paralleler Welten.
Mit Hilfe der Semiotik wird untersucht, wie es der Quantenphysik gelingt, Formeln plausibel zumachen, deren zugrunde liegender physikalischer Sachverhalt nicht einem Alltagsverständnis bzw. einem Verständnis im Sinne der klassischen Physik zugänglich ist. Dabei geht es um eine allgemein anerkannte Art des Verständlichmachens bestimmter physikalischer Formeln jenseits der individuellen Ausprägung von Fähigkeiten des Erklärens und Verstehens, sozialer Phänomene und geschichtlicher Entwicklungen, indem man diesen Formeln jeweils ein bestimmtes Experiment zur Seite stellt. Das Experiment ist dabei so gewählt, dass das physikalische Phänomen, das in der Formel beschrieben wird, im Experiment untersucht wird, so dass sich die Formel dann als Auswertung des Experimentes ergibt. Um den schillernden Begriff des Verständnisses auf das für die Untersuchung Notwendige zu beschränken, wird der Begriff Plausibilisierung eingeführt. In einer hermeneutischen Herangehensweise wird ein geeignetes semiotisches Modell dieser wesentlichen argumentativen Figur der Physik anhand von drei Beispielen physikalischer Phänomene entwickelt: die geradlinige Bewegung eines Körpers mit konstanter Geschwindigkeit für die klassische Physik, das Spektrum des energetisch angeregten Wasserstoffs für die ältere Quantenphysik und die Streuung von Elektronen am Doppelspalt für die moderne Quantenphysik. Für jedes der drei Beispiele lassen sich die betreffende Formel und das zugehörige Experiment jeweils als Zeichen auffassen. Lässt sich die Situation der klassischen Physik gut mit dreistelligen Zeichen erfassen, erweist sich der zweistellige Zeichenbegriff für die Situation der Quantenphysik als adäquater. Die Plausibilisierung als Gefüge dieser beiden Zeichen zwingt nicht zu der Annahme, dass einer Formel als Kompositionen von Elementen der Ausdrucksseite eines gewöhnlichen Textes ein Element auf der Inhaltsseite entspricht. Vielmehr dient die zu plausibilisierende Formel dazu, Elemente der Wirklichkeit auf der Ausdrucks- und Inhaltsseite aufeinander zu beziehen. Die Wirkungsweise des Zeichens in der Plausibilisierung der Quantenphysik ist damit nicht negiert, sondern adäquater als beim gewöhnlichen Text in der Physik. Die Plausibilisierung erlaubt, die semantische Interpretation von Formeln zu relativieren, ohne auf ein Verständnis ihrer zeichenbezogenen Funktionsweise verzichten zu müssen.
ZusammenfassungDie Wellennatur der elektromagnetischen Strahlung ist durch Interferenz- und Beugungsexperimente gut bekannt. Auch außerhalb des optischen Bereiches wurde z.B. die Beugung von Röntgenstrahlen durch Max von Laue mit Hilfe von Kristallen nachgewiesen. Andererseits lassen sich einige Beobachtungen nur mit einer Teilchennatur der elektromagnetischen Strahlung erklären. Dazu gehören neben der Frequenzabhängigkeit der Temperaturstrahlung nach dem Planckschen Strahlungsgesetz vor allem der lichtelektrische Effekt. Dabei zeigt sich, daß die Energie der aus einem Metall austretenden Elektronen nur von der Frequenz und nicht von der Intensität des Lichtstrahles abhängt. Auch die beim Compton-Effekt beobachtete inelastische Streuung von Röntgenstrahlen durch gebundene Elektronen eines Festkörpers kann nicht mit der Wellennatur der elektromagnetischen Strahlung erklärt werden, weil dabei ein Licht quant Energie und Impuls auf das Elektron überträgt. Man spricht deshalb von einem Welle-Teilchen-Dualismus der elektromagnetischen Strahlung.
ZusammenfassungIn der geometrischen Optik werden die Welleneigenschaften des Lichtes fast völlig außer acht gelassen. Die Deutung einer Gruppe von optischen Erscheinungen ist jedoch nur mit der Wellentheorie möglich. Es handelt sich um die Interferenz des Lichtes, die je nach der Art des Zusammentreffens zweier Wellenzüge zu deren gegenseitiger Verstärkung oder Auslöschung führt (S. 187). Das Zustandekommen derartiger Versuche ist jedoch an gewisse Voraussetzungen geknüpft. Es müssen sich nämlich zwei Wellenzüge von gleicher Frequenz so überlagern, daß ihre Schwingungsphasen stets die gleiche Differenz gegeneinander haben. Dies ist z. B. bei dem auf Bild 14.11 dargestellten Versuch erfüllt, weil jede der beiden Wellen ein einziges, in sich zusammenhängendes System bildet. Man nennt es in diesem Fall kohärent.